CN111751926A - 用于相控阵发射阵列的波导光栅天线及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及集成光子器件领域，尤其涉及一种用于相控阵发射阵列的波导光栅天线及其形成方法。所述用于相控阵发射阵列的波导光栅天线，包括：衬底；第一波导层，位于所述衬底表面；第二波导层，沿垂直于所述衬底的方向设置于所述第一波导层上方，且所述第二波导层中具有光栅结构；所述第一波导层与所述第二波导层之间能够进行倏逝波耦合，有利于控制光栅的长度以增大相控阵列的分辨率，提高了垂直方向的非对称性，从而提高波导光栅天线的方向性。本发明减少了光向衬底的泄露，提高了光向上发射的比例，进而提高了光的发射效率以及相控阵列的探测距离，有助于需要高功率输出器件的实现。

Description

用于相控阵发射阵列的波导光栅天线及其形成方法
技术领域
本发明涉及集成光子器件领域，尤其涉及一种用于相控阵发射阵列的波导光栅天线及其形成方法。
背景技术
近些年来，激光雷达吸引了人们的极大关注。传统的激光雷达通常是采用机械装置实现光束的偏转。但是由于机械装置本身结构的限制，使得光束的扫描速度受到极大的限制。并且由于采用机械装置实现的激光雷达的体积一般较大，只能安装在车顶，导致在很大程度上影响了汽车的美观。另外，因为体积和重量的限制，传统的激光雷达无法用于无人机等一些体积较小的应用。由于采用机械装置的激光雷达中的激光器和探测器需要逐个对准，这也在一定程度上限制了激光雷达的产量，使传统的激光雷达价格昂贵。
采用相控阵列的方式可以极大的降低激光雷达的体积和成本，提高光束的扫描速度。但是，损耗较大是目前的相控阵列存在的一个主要问题，致使探测距离受到很大的限制。组成相控阵激光雷达的一个关键器件是把光由波导耦合到自由空间中的波导光栅天线。因此，提高波导光栅的发射效率是一个十分重要的方向。
波导光栅会把波导中的光耦合到两个主要的方向：衬底方向(向下耦合，这部分能量会被浪费掉)和芯片上方(向上耦合，这部分能量属于有用的光功率)。光栅的方向性定义为向上耦合到芯片方向的光功率与从波导中耦合出去的光功率总和的比值。因此，方向性是表征波导光栅天线效率的一个重要参数。但是，当前波导光栅天线均存在发射效率较低的问题。
因此，如何提高相控阵发射阵列的发射效率，以增大相控阵列的探测距离，是目前亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种用于相控阵发射阵列的波导光栅天线及其形成方法，用于解决现有的相控阵发射阵列的发射效率较低的问题，以增大相控阵列的探测距离。
为了解决上述问题，本发明提供了一种用于相控阵发射阵列的波导光栅天线，包括：
衬底；
第一波导层，位于所述衬底表面；
第二波导层，沿垂直于所述衬底的方向设置于所述第一波导层上方，且所述第二波导层中具有光栅结构；
所述第一波导层与所述第二波导层之间能够进行倏逝波耦合，有利于控制光栅的长度以增大相控阵列的分辨率，打破了垂直方向的对称性，从而提高波导光栅天线的方向性。
优选的，还包括：
隔离层，位于所述第一波导层与所述第二波导层之间。
优选的，所述第一波导层的材料为硅，所述第二波导层的材料为氮化硅，所述隔离层的材料为二氧化硅。
优选的，所述第一波导层为矩形波导层。
优选的，所述第二波导层的厚度大于所述第一波导层的厚度。
为了解决上述问题，本发明还提供了一种用于相控阵发射阵列的波导光栅天线的形成方法，包括如下步骤：
提供一衬底；
形成第一波导层于所述衬底表面；
形成具有光栅结构的第二波导层于所述第一波导层之上，且所述第一波导层与所述第二波导层之间能够进行倏逝波耦合，有利于控制光栅的长度以增大相控阵列的分辨率，打破了垂直方向的对称性，从而提高波导光栅天线的方向性。
优选的，所述衬底包括沿其轴向方向依次叠置的顶层硅、埋氧化层和底层硅；形成第一波导层于所述衬底表面的具体步骤包括：
刻蚀所述顶层硅，形成矩形形状的所述第一波导层。
优选的，形成所述第二波导层之前还包括如下步骤：
沉积隔离层材料，形成覆盖所述第一波导层的隔离层。
优选的，形成具有光栅结构的第二波导层于所述第一波导层之上的具体步骤包括：
沉积氮化硅材料于所述隔离层表面，形成具有光栅结构的第二波导层于所述第一波导层之上。
优选的，所述第二波导层的厚度大于所述第一波导层的厚度。
本发明提供的用于相控阵发射阵列的波导光栅天线及其形成方法，通过采用双层波导结构，打破了光栅在垂直方向上的对称性，减少了光向衬底的泄露，提高了光向上发射的比例，进而提高了光的发射效率以及相控阵列的探测距离，有助于需要高功率输出器件的实现。
附图说明
附图1是本发明具体实施方式中用于相控阵发射阵列的波导光栅天线的截面示意图；
附图2是本发明具体实施方式中用于相控阵发射阵列的波导光栅天线的三维立体图；
附图3是本发明具体实施方式中用于相控阵发射阵列的波导光栅天线的形成方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的用于相控阵发射阵列的波导光栅天线及其形成方法的具体实施方式做详细说明。
本具体实施方式提供了一种用于相控阵发射阵列的波导光栅天线，附图1是本发明具体实施方式中用于相控阵发射阵列的波导光栅天线的截面示意图，附图2是本发明具体实施方式中用于相控阵发射阵列的波导光栅天线的三维立体图。
如图1、图2所示，本具体实施方式提供的用于相控阵发射阵列的波导光栅天线包括：
衬底10；
第一波导层11，位于所述衬底10表面；
第二波导层12，沿垂直于所述衬底10的方向设置于所述第一波导层11上方，且所述第二波导层12中具有光栅结构；
所述第一波导层11与所述第二波导层12之间能够进行倏逝波耦合，以提高波导光栅天线的方向性。
本具体实施方式中所述的所述第二波导层12中具有光栅结构是指，通过对所述第二波导层12进行浅刻蚀，在所述第二波导层12中形成的凹凸相间的结构。组成相控阵发射阵列的光栅结构中的光栅长度是进行光学调制的一个重要参数。光栅长度越长，沿其所在的波导方向的发散角越小，而小的发散角则有利于提高阵列的分辨率。因此，本领域技术人员可以根据实际需要设置光栅结构中的光栅长度、光栅槽深度h4、所述第二波导层12的厚度h2等参数，例如根据所要调制的光的具体应用，本具体实施方式对此不作限定。本具体实施方式中所述第一波导层11的材料优选为与所述第二波导层12的材料不同，例如所述第一波导层11的折射率大于所述第二波导层12的折射率。
本具体实施方式采用上述结构，有利于控制光栅的长度以增大相控阵列的分辨率，打破了垂直方向的对称性，从而提高波导光栅天线的方向性。具体来说，光信号自外界耦合进所述第一波导层11(即沿图1中的X轴方向进入所述第一波导层11)，由于所述第一波导层11与所述第二波导层12均处于对方波导模式倏逝场范围内，因此，所述光信号能够沿垂直于所述衬底10的方向(即图1中的Y轴方向)耦合进所述第二波导层12，并经所述第二波导层12中的所述光栅结构调制后再耦合至自由空间。
本具体实施方式通过采用双层波导结构，将光依次经所述第一波导层11、所述第二波导层12耦合至自由空间，具有高的方向性，打破了光栅结构在垂直方向上的对称性，提高了光向上(沿Y轴正方向)发射的比例，减少了光向衬底的泄露，增大了光的利用率，有利于需要高功率输出器件的实现。
其中，所述第一波导层11与所述第二波导层12之间具有一间隙，所述间隙可以为空气隙，也可以填充有介质材料。优选的，所述用于相控阵发射阵列的波导光栅天线还包括：
隔离层13，位于所述第一波导层11与所述第二波导层12之间。
优选的，所述第一波导层11的材料为硅，所述第二波导层12的材料为氮化硅，所述隔离层13的材料为二氧化硅。
其中，所述隔离层13的厚度h3的具体数值，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。在本具体实施方式中，所述隔离层13的厚度h3优选为200nm-400nm，更优选为300nm。本领域技术人员还可以通过增大所述隔离层13的厚度(即增大所述第一波导层11与所述第二波导层12沿Y轴方向的距离)，降低光栅的强度，从而进一步增大光栅长度，降低发散角，增大探测分辨率。
所述第一波导层11可以为条形波导，也可以为脊形波导。为了简化制造工艺，优选的，所述第一波导层11为矩形波导层。
优选的，所述第二波导层12的厚度h2大于所述第一波导层11的厚度h1。通过将具有光栅结构的所述第二波导层12的厚度设置为大于其下方的所述第一波导层11，从而进一步在实现波导光栅天线具备高方向性的同时，确保较佳的光栅强度。
不仅如此，本具体实施方式还提供了一种用于相控阵发射阵列的波导光栅天线的形成方法，附图3是本发明具体实施方式中用于相控阵发射阵列的波导光栅天线的形成方法流程图，本具体实施方式形成的用于相控阵发射阵列的波导光栅天线的结构可参见图1、图2。如图1、图2和图3所示，本具体实施方式提供的用于相控阵发射阵列的波导光栅天线的形成方法包括如下步骤：
步骤S31，提供一衬底10。为了简化制造工艺，便于与CMOS器件兼容，优选的，所述衬底10为SOI(Silicon On Insulator，绝缘体上硅)衬底。
步骤S32，形成第一波导层11于所述衬底10表面。
优选的，所述衬底10包括沿其轴向方向依次叠置的顶层硅、埋氧化层和底层硅；形成第一波导层11于所述衬底表面的具体步骤包括：
刻蚀所述顶层硅，形成矩形形状的所述第一波导层11。
具体来说，所述衬底10包括沿垂直于所述衬底10的方向(即图1中的Y轴方向)依次自下而上依次叠置的底层硅、埋氧化层和顶层硅。通过采用光刻、刻蚀工艺对所述顶层硅进行处理，形成具有特定厚度以及图形结构的所述第一波导层11。
步骤S33，形成具有光栅结构的第二波导层12于所述第一波导层11之上，且所述第一波导层11与所述第二波导层12之间能够进行倏逝波耦合，以提高波导光栅天线的方向性。
具体来说，本具体实施方式通过形成双层波导结构，有利于控制光栅的长度以增大相控阵列的分辨率，打破了垂直方向的对称性，从而提高了波导光栅天线的方向性。
优选的，形成所述第二波导层12之前还包括如下步骤：
沉积隔离层材料，形成覆盖所述第一波导层11的隔离层13。
具体来说，在完成所述第一波导层11的制备之后，采用PECVD(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积)工艺沉积二氧化硅材料；然后，采用CMP(Chemical Mechanical Polishing，化学机械研磨)工艺调整沉积的所述二氧化硅材料层的厚度，得到预设厚度的所述隔离层13。
优选的，形成具有光栅结构的第二波导层12于所述第一波导层11之上的具体步骤包括：
沉积氮化硅材料于所述隔离层13表面，形成具有光栅结构的第二波导层12于所述第一波导层11之上。
具体来说，在形成所述隔离层13之后，采用LPCVD(Low Pressure Chemical VaporDeposition，低压化学气相沉积)工艺沉积氮化硅材料于所述隔离层13表面；然后，采用光刻、刻蚀工艺对沉积的氮化硅材料层进行处理，形成具有光栅结构的所述第二波导层12。
优选的，所述第二波导层12的厚度h2大于所述第一波导层11的厚度h1。
在形成所述第二波导层12之后，还可以采用PECVD工艺沉积二氧化硅材料，形成覆盖所述第二波导层12的上包层。
本具体实施方式提供的用于相控阵发射阵列的波导光栅天线及其形成方法，通过采用双层波导结构，打破了光栅在垂直方向上的对称性，减少了光向衬底的泄露，提高了光向上发射的比例，进而提高了光的发射效率以及相控阵列的探测距离，有助于需要高功率输出器件的实现。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于相控阵发射阵列的波导光栅天线，其特征在于，包括：
衬底；
第一波导层，位于所述衬底表面；
第二波导层，沿垂直于所述衬底的方向设置于所述第一波导层上方，且所述第二波导层中具有光栅结构；
所述第一波导层与所述第二波导层之间能够进行倏逝波耦合，以提高波导光栅天线的方向性。
2.根据权利要求1所述的用于相控阵发射阵列的波导光栅天线，其特征在于，还包括：
隔离层，位于所述第一波导层与所述第二波导层之间。
3.根据权利要求2所述的用于相控阵发射阵列的波导光栅天线，其特征在于，所述第一波导层的材料为硅，所述第二波导层的材料为氮化硅，所述隔离层的材料为二氧化硅。
4.根据权利要求1所述的用于相控阵发射阵列的波导光栅天线，其特征在于，所述第一波导层为矩形波导层。
5.根据权利要求1所述的用于相控阵发射阵列的波导光栅天线，其特征在于，所述第二波导层的厚度大于所述第一波导层的厚度。
6.一种用于相控阵发射阵列的波导光栅天线的形成方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供一衬底；
形成第一波导层于所述衬底表面；
形成具有光栅结构的第二波导层于所述第一波导层之上，且所述第一波导层与所述第二波导层之间能够进行倏逝波耦合，以提高波导光栅天线的方向性。
7.根据权利要求6所述的用于相控阵发射阵列的波导光栅天线的形成方法，其特征在于，所述衬底包括沿其轴向方向依次叠置的顶层硅、埋氧化层和底层硅；形成第一波导层于所述衬底表面的具体步骤包括：
刻蚀所述顶层硅，形成矩形形状的所述第一波导层。
8.根据权利要求6所述的用于相控阵发射阵列的波导光栅天线的形成方法，其特征在于，形成所述第二波导层之前还包括如下步骤：
沉积隔离层材料，形成覆盖所述第一波导层的隔离层。
9.根据权利要求8所述的用于相控阵发射阵列的波导光栅天线的形成方法，其特征在于，形成具有光栅结构的第二波导层于所述第一波导层之上的具体步骤包括：
沉积氮化硅材料于所述隔离层表面，形成具有光栅结构的第二波导层于所述第一波导层之上。
10.根据权利要求6所述的用于相控阵发射阵列的波导光栅天线的形成方法，其特征在于，所述第二波导层的厚度大于所述第一波导层的厚度。
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